Atelier de Formação Iniciação à robótica móvel

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Associação Nacional de Professores de Electrotecnia e Electrónica

Atelier de FormaçãoIniciação à robótica móvel

Princípios de

Construção

Mecânica e Electrónica de um MicroRobot Móvel Autónomo

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Robô móvel autónomo, capaz de:Seguir uma pistaSubir e descer uma

rampaDetectar coresDetectar obstáculosAvisar por meio de

som/luz

Vídeo “Robotica 2006”

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Princípios de Construção

• Face à complexidade do tratamento das informações recolhidas nos sensores, decidiu-se pelo controlo por microcontrolador.

• Face ao tipo de piso e à necessidade de rapidez, optou-se por uma tracção diferencial, com duas rodas motrizes e uma roda de apoio livre.

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Tecnologia?

Keep It Seriously Simple

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Construção da Plataforma

Factores a ter em conta:

– Simplicidade• Minimizar o número de partes móveis e a

complexidade do robô

– Robustez• resistência aos impactos

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Modularidade

Materiais aconselhados para a plataforma: Vidro acrílico, PVC ou contraplacado

O robô deve ser composto por um grupo de módulos que se interliguem de tal forma, que um dos módulos possa ser substituído sem necessidade de remoção dos restantes.

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Materiais aconselháveis

• PVC

• Vidro acrílico

• Contraplacado

• Colas

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Estrutura Mecânica

• Forma (plataforma simples):

Roda livre

Vista de baixoMotores

Vista Lateral

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Estrutura Mecânica

• Forma (plataforma dupla):

Roda livre

Vista de baixo

motores

Vista Lateral

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Estrutura Mecânica

• Estrutura Mecânica (Sugestão)

Sensor de obstáculos

Placa controlador

roll-on

servos

Sensor de pista

bateria

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Geometria do problema

• Localização dos sensores de pista

• Geometria da rampa

A rampa, com 25º de inclinação,

coloca problemas :

– quanto à localização do centro de gravidade, – quanto ao binário disponível para a superar e – quanto à geometria e localização dos sensores.

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• Here we go!!!!!!!!!!!!!!

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• O centro de gravidade do carro deverá estar centrado e o mais baixo possível, de modo a que em plena rampa, não caia fora dos pontos de apoio das rodas

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• Quanto à localização dos sensores de pista, importa reparar que no início da subida estes se afastam do solo, podendo deixar de “sentir” a pista, como se vê na figura.

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• Pelo contrário, no fim da subida, os sensores aproximam-se perigosamente do solo, podendo ficar presos.

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• Assim, e tendo em conta a geometria do problema, sugere-se a localização dos sensores próximo dos eixos das rodas.

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• Os sensores de pista devem estar o mais afastados possível das rodas motrizes.

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Motores• Existem 3 tipos possíveis de motores

– CC (corrente contínua) - mais potentes, controlo difícil, caros, exigem mais electrónica.

– Passo-a-Passo - pouco potentes, pesados, controlo muito fácil.

– Servos - muito potentes, leves, controlo fácil e baratos – foi a opção tomada.

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Motores CC

• Como controlar o motor CC– A inversão de marcha exige uma ponte H

como a da figura

Frente

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Motores

• Podemos construir uma ponte com componentes discretos - os transístores funcionam, como interruptores.

+Controlo Avanço

Controlo Recuo

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Motores

• Podemos utilizar um circuito integrado como o L293D que contem duas pontes, já protegidas com díodos para correntes até 600 mA.

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Motores

• O circuito integrado L293D vai ter duas alimentações. Uma para comando (5V) e outra para potência (9.6 V).

• A Tabela permite programar o movimento em qualquer sentido (conjugando 2 sinais)

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Motores

• Controlo de velocidade• Utiliza-se um sinal PWM (Pulse Width

Modulation)

• A velocidade do motor varia proporcionalmente à área debaixo da porção positiva de cada período

média

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Motores

• Ajuste da velocidade e do binário• O motor, por si só, não se encontra preparado

para ser usado directamente num robô– Problema - velocidade excessiva (>5000 rpm)

e binário disponível insuficiente.– Solução - Uso de sistemas de engrenagens

que reduzam a velocidade de rotação e aumentem o binário disponível.

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Motores

• Vantagens

– Torna possível a utilização de microcontroladores

– Reduz as perdas térmicas nos componentes, pois nem sempre a tensão é aplicada.

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Motores

• Relação binário/velocidade

Nº dentes roda 1

Nº dentes roda 2Nº dentes roda 1

Nº dentes roda 2Relação transmissão =

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• O diâmetro das rodas irá condicionar a velocidade do robô.

• Rodas maiores Velocidade linear maior• Num minuto, uma roda desloca-se:

s = 2 . . R . n R - raio da roda

n - nº de rotações p/minuto

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Motores Servo

• Os servomotores são motores particularmente concebidos para o modelismo.

• Potentes, de baixo consumo, leves, resistentes ao choque e baratos.

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Motores Servo

• Características

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Motores Servo

• No seu uso normal os servos rodam ângulos que dependem da largura do impulso fornecido

• Para o uso em robôs móveis, é necessário adaptá-los para rotação contínua.

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Modificar um Servomotor

• Agora que já sabe como funciona um servomotor, vamos descrever como pode transformar um servomotor R/C num excelente motor de corrente contínua com redutor de velocidade.

• O que se vai fazer é modificar o servo de modo a que este funcione sem batente e sem electrónica de controlo.

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• Os passos seguintes ajudá-lo-ão a realizar as modificações.

• Retire o parafuso que prende a flange ao eixo do servo.

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• Abra a caixa removendo os 4 parafusos localizados na base do servo.

• A tampa da base deve ser retirada lentamente e com cuidado. Remova a tampa do topo da caixa.

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Modificar um Servomotor• Tenha cuidado em anotar o modo como estão dispostas

as rodas dentadas e remova-as do topo do servo.

• Coloque-as sobre uma folha de papel pela mesma ordem com que estavam no servo.

A roda dentada fina ao centro não precisa ser retirada.

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• Seguidamente, é preciso remover da caixa a placa do circuito electrónico.

• Para isso, vai ser necessário dessoldar os terminais do motor que estão directamente inseridos na placa.

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• Localize e remova o pequeno parafuso philips do potenciómetro na figura e retire o conjunto placa de circuito impresso+cabo+potenciómetro.

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• Dessolde o cabo (ou corte-o) e use os condutores encarnado e preto para ligação directa aos terminais do motor.

• Deixe o condutor de sinal (branco ou amarelo) sem ligação.

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• Remova o batente da roda dentada como se indica na figura (use x-acto ou alicate).

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• Volte a colocar as rodas dentadas nos seus lugares, começando pela do meio. Quando todas estiverem colocadas, coloque as duas tampas. Finalmente aperte os quatro parafusos da caixa. Os servos estão finalmente em condições de serem utilizados no seu robot.

• Teste o servo, com uma tensão CC de 6V.

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Sensores

Tipos de problemas a resolver:

• detecção de obstáculos a curta distância• seguimento de pista• detecção de cores• seguimento de paredes• detecção de inclinação

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Sensores- detecção de obstáculos

• Por toque (contacto) com interruptores mecânicos ou whiskers.

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• Por IV a distância

Não alterar!!

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Sensores- detecção de pista

Sensor de pista

• Este dispositivo possui três sensores infra-vermelhos que permitem detectar por reflexão, o contraste preto-branco da linha preta face ao fundo branco.

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Sensores - detecção de pista• É constituído por três pares emissor/receptor

idênticos constando cada um de um led emissor na banda dos infra-vermelhos e de um fototransístor sensível na mesma banda.

• Como a cor preta absorve as radiações e a cor branca as reflecte, temos assim o nosso fototransístor (sensor) a conduzir ou não.

• Os três leds são activados sequencialmente

através de um microcontrolador, efectuando-se as leituras dos fototransístores nesses instantes.

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Sensores- detecção de pista

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• LDR (índice de reflexão monocromático)

• LDR (índice de reflexão RGB)

• Sensor de cores Que Solução?

Detecção de Cores

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Sensores- detecção de cores

• O detector de cores é constituído por um divisor potenciométrico: uma resistência ajustável e uma LDR (o sensor).

• O mais económico.

• Sensível às variações de luz ambiente.

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• Seria sempre preferível ligar sequencialmente as cores RGB (3 leds) e efectuar medições separadas, mas isso não constitui um valor acrescentado para uma decisão rápida sobre a cor).

• Sensível à variação da luz ambiente.

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Sensor CCD

• Muito caro.

• Tem o problema de diferenciar o prateado do branco

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Sensores-detecção de Inclinação

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Sensores-detecção de Inclinação

Pendulo

• Sem custos!

• Solução eficaz.

• Permite saber o ângulo de inclinação.

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Avisadores

• Sonoro – bezouro

• Luminoso - LED

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Microcontrolador

• Picaxe 28X

• Características:600 linhas código

21 pinos E/S

9-17 saídas

0-12 entradas

0-4 entradas A/D

2 saídas PWM

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Linguagens de programação

• PBasic (compatível com Basic Stamp)

• Ambiente integrado de desenvolvimento com suporte para programação gráfica por fluxogramas.

• Editor, compilador, programador e debugger incorporados.

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Etapas de trabalho

• Desenhar– Cuidado com as medidas

• Cortar e furar– Resistência e simplicidade

• Circuito (esquema)– Aproveitar todas as potencialidades do Picaxe

• Circuito (PCB)– Breadboad, placa de circuito impresso

• Programação– Em pequenos blocos e sucessivos testes

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Etapas de trabalho - desenhar

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• O desenho do chassis em papel facilita o corte do PVC e a dobragem

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Etapas de trabalho – cortar e furar

• Operações de corte, dobragem, furação

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Placa do controlador - Breadboard

• São ideais para montar pequenos circuitos.

• Permitem fazer alterações de forma rápida.

• Podem surgir problemas de maus contactos.

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Placa do controlador - Stripboard

• O Stripboard é uma placa que possui pistas paralelas de cobre num dos lados. As pistas estão separadas de 0.1" (2.54mm) e nelas existem furos espaçados de 0.1" (2.54mm). Circuito em

Stripboard (pistas do lado do cobre).

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Placa do controlador - Stripboard

• Os Stripboard são utilizados para realizar circuitos permanentes utilizando soldadura. São ideais para fabricar pequenos circuitos com um ou dois circuitos integrados (chips).

• Cortes e reparações no stripboard.

• Testes das ligações

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Pontos de teste

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Esquema de ligações

Alimentação dos sensores

Ligação ao cabo série paraprogramar

Sensor de pista (3inputs)

Sensor de obstáculos(2outputs)

Sensor de obstáculos(1input)

Sensor de cor

BezouroLed

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Placa do controlador - PCB

• A solução mais difícil de concretizar.

• Melhores resultados.

• A mais cara.

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Contactos

• ANPEEhttp://www.anpee.org

• Picaxehttp://www.picaxe.co.uk

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